Since the 1950s, scientists have used radio waves to uncover the molecular "fingerprints" of unknown materials, aiding in tasks as varied as scanning the human body with MRI machines and detecting explosives at airports.
自20世纪50年代以来，科学家们一直在使用无线电波来发现未知材料的分子“指纹”，帮助完成各种任务，如用MRI机器扫描人体和在机场检测爆炸物
然而，这些方法依赖于数万亿个原子的平均信号，因此无法检测到单个分子之间的微小变化。这些限制阻碍了蛋白质研究等领域的应用，在这些领域，形状控制功能的微小差异可以决定健康和疾病之间的差异现在，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院（Penn Engineering）的工程师利用量子传感器实现了核四极共振（NQR）光谱的突破性变化，这是一种传统上用于检测药物和爆炸物或分析药物的技术
在《纳米快报》中描述，这种新方法非常精确，可以检测到单个原子的NQR信号——这是一项曾经被认为无法实现的壮举。这种前所未有的敏感性为药物开发等领域的突破打开了大门，在这些领域，理解原子水平的分子相互作用至关重要
“这项技术使我们能够分离单个核，并揭示被认为是相同分子的微小差异，”宾夕法尼亚大学量子工程实验室（QEL）主任、电气与系统工程（ESE）副教授、该论文的资深作者Lee Bassett说“通过专注于单个原子核，我们可以揭示以前隐藏的分子结构和动力学的细节。这种能力使我们能够在一个全新的尺度上研究自然界的组成部分。”
一个意想不到的发现这一发现源于常规实验中的意外观察。Alex Breitweiser是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院物理学博士研究生，也是该论文的共同第一作者，现在是IBM的研究员，当他注意到数据中的异常模式时，他正在研究钻石中的氮空位（NV）中心——量子传感中经常使用的原子级缺陷
周期性信号看起来像是实验性的伪影，但在经过大量故障排除后仍然存在。回到20世纪50年代和60年代关于核磁共振的教科书中，Breitweiser发现了一种物理机制，可以解释他们所看到的东西，但这之前被认为在实验上无关紧要
技术的进步使该团队能够检测和测量曾经超出科学仪器范围的影响。Brietweiser说：“我们意识到我们不仅仅看到了异常。”。“我们正在打破一种新的物理学体系，我们可以通过这项技术进入。”
通过与荷兰代尔夫特理工大学的研究人员合作，对这种效应的理解得到了进一步的发展，Breitweiser曾在那里作为国际奖学金的一部分对相关主题进行研究。结合实验物理学、量子传感和理论建模方面的专业知识，该团队创造了一种能够以极高的精度捕获单原子信号的方法“这有点像在一个巨大的电子表格中隔离一行，”ESE博士毕业生、该论文的另一位共同第一作者Mathieu Ouellet解释道
“传统的NQR产生类似于平均值的东西——你可以从整体上了解数据，但对单个数据点一无所知。使用这种方法，就好像我们已经发现了平均值背后的所有数据，将信号从一个核心中分离出来，并揭示了它的独特属性。”
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破译信号确定意外实验结果的理论基础需要付出巨大的努力。Ouellet必须仔细测试各种假设，运行模拟并执行计算，以将数据与潜在原因相匹配
“这有点像根据症状诊断病人，”他解释道。“数据表明了一些不寻常的事情，但通常有多种可能的解释。花了很长时间才得出正确的诊断。”
展望未来，研究人员看到了他们的方法在解决紧迫的科学挑战方面的巨大潜力。通过表征以前隐藏的现象，新方法可以帮助科学家更好地理解塑造我们世界的分子机制